进程间通信之深入消息队列的详解

    最近在Hi3515上调试Qt与DVR程序，发现他们之间使用消息队列通信的，闲暇之余，就总结了一下消息队列，呵呵，自认为通俗易懂，同时，在应用中也发现了消息队列的强大之处。

   关于线程的管理(互斥量和条件变量)见：Linux线程管理必备:解析互斥量与条件变量的详解

一、消息队列的特点

    1.消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识.
    2.消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息.
    3.管道和命名管道都是通信数据都是先进先出的原则。
    4.消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。

    目前主要有两种类型的消息队列：POSIX消息队列以及系统V消息队列，系统V消息队列目前被大量使用。系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重起或者人工删除时，该消息队列才会被删除。

二、相关函数

1. 获得key值

    key_t ftok(char *pathname, int projid)

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
参数:
    pathname：文件名（含路径）,通常设置为当前目录“.” 比如projid为'a',则为"./a"文件
    projid：项目ID，必须为非0整数（0-255）.

2. 创建消息队列
    int msgget(key_t key, int msgflag)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
功能：
    用于创建一个新的或打开一个已经存在的消息队列，此消息队列与key相对应。
参数：
    key：函数ftok的返回值或IPC_PRIVATE。
    msgflag：
        IPC_CREAT:创建新的消息队列。
        IPC_EXCL:与IPC_CREAT一同使用，表示如果要创建的消息队列已经存在，则返回错误。
        IPC_NOWAIT:读写消息队列要求无法满足时，不阻塞。
返回值：
    调用成功返回队列标识符,否则返回-1.

在以下两种情况下，将创建一个新的消息队列：
    1、如果没有与键值key相对应的消息队列，并且msgflag中包含了IPC_CREAT标志位。
    2、key参数为IPC_PRIVATE。

3. 消息队列属性控制
    int msgctl(int msqid,  int cmd,  struct msqid_ds *buf)
功能:
 对消息队列进行各种控制操作,操作的动作由cmd控制。
参数:
    msqid:消息队列ID，消息队列标识符，该值为msgget创建消息队列的返回值。
    cmd:
        IPC_STAT:将msqid相关的数据结构中各个元素的当前值存入到由buf指向的结构中.
        IPC_SET:将msqid相关的数据结构中的元素设置为由buf指向的结构中的对应值.
        IPC_RMID:删除由msqid指示的消息队列,将它从系统中删除并破坏相关数据结构.
buf:消息队列缓冲区
     struct msqid_ds {
               struct ipc_perm msg_perm;          /* Ownership and permissions*/
               time_t         msg_stime;                 /* Time of last msgsnd() */
               time_t         msg_rtime;                  /* Time of last msgrcv() */
               time_t         msg_ctime;                 /* Time of last change */
               unsigned long  __msg_cbytes;    /* Current number of bytes in  queue (non-standard) */
               msgqnum_t      msg_qnum;          /* Current number of messages  in queue */
               msglen_t       msg_qbytes;           /* Maximum number of bytesallowed in queue */
               pid_t          msg_lspid;                  /* PID of last msgsnd() */
               pid_t          msg_lrpid;                  /* PID of last msgrcv() */
                     };

     struct ipc_perm {
               key_t key;                        /* Key supplied to msgget() */
               uid_t uid;                         /* Effective UID of owner */
               gid_t gid;                        /* Effective GID of owner */
               uid_t cuid;                       /* Effective UID of creator */
               gid_t cgid;                      /* Effective GID of creator */
               unsigned short mode;    /* Permissions */
               unsigned short seq;       /* Sequence number */
                   };

4．发送信息到消息队列
    int msgsnd(int msqid,  struct msgbuf *msgp,  size_t msgsz,  int msgflag)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
功能:

    将新消息添加到队列尾端,即向消息队列中发送一条消息。
参数：
    msqid:已打开的消息队列id
    msgp:存放消息的结构体指针。
    msgflag:函数的控制属性。
    消息结构msgbuf为:
    struct msgbuf
    {
         long mtype;//消息类型
         char mtext[1];//消息正文，消息数据的首地址，这个数据的最大长度为8012吧，又可把他看成是一个结构，也有类型和数据，recv时解析即可。
    }
    msgsz:消息数据的长度。
    msgflag:
         IPC_NOWAIT: 指明在消息队列没有足够空间容纳要发送的消息时，msgsnd立即返回。
         0:msgsnd调用阻塞直到条件满足为止.（一般选这个）

5. 从消息队列接收信息
    ssize_t msgrcv(int msqid,  struct msgbuf *msgp,  size_t msgsz,  long msgtype,  int msgflag)
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
功能:

    从队列中接收消息
参数:
    msqid:已打开的消息队列id
    msgp:存放消息的结构体指针。msgp->mtype与第四个参数是相同的。
    msgsz:消息的字节数，指定mtext的大小。
    msgtype:消息类型，消息类型 mtype的值。如果为0，则接受该队列中的第一条信息，如果小于0，则接受小于该值的绝对值的消息类型，如果大于0，接受指定类型的消息，即该值消息。
    msgflag:函数的控制属性。
    msgflag:
        MSG_NOERROR:若返回的消息比nbytes字节多,则消息就会截短到nbytes字节,且不通知消息发送进程.
        IPC_NOWAIT:调用进程会立即返回.若没有收到消息则返回-1.
        0:msgrcv调用阻塞直到条件满足为止.
在成功地读取了一条消息以后，队列中的这条消息将被删除。

三、相关例子

例1：消息队列之简单收发测试
#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

struct msg_buf{
     int mtype;//消息类型
     char data[255];//数据
};

int main(int argc,  char *argv[])
{
      key_t key;
      int msgid;
      int ret;
      struct msg_buf msgbuf;
      //获取key值
      key = ftok(".",  'a');
      printf("key = [%x]\n",  key);

      //创建消息队列
      msgid = msgget(key,  IPC_CREAT|0666);/*通过文件对应*/
      if(msgid == -1)
      {
            printf("creat error\n");
            return -1;
      }

      //以当前进程类型，非阻塞方式发送"test data"到消息队列
      msgbuf.mtype = getpid();
      strcpy(msgbuf.data,  "test data");
      ret = msgsnd(msgid,  &msgbuf,  sizeof(msgbuf.data),  IPC_NOWAIT);
      if(ret == -1)
      {
            printf("send message err\n");
            return -1;
      }

      //以非阻塞方式接收数据
      memset(&msgbuf,  0,  sizeof(msgbuf));
      ret = msgrcv(msgid,  &msgbuf,  sizeof(msgbuf.data), getpid(),  IPC_NOWAIT);
      if(ret == -1)
      {
            printf("receive message err\n");
            return -1;
      }
      printf("receive msg = [%s]\n",  msgbuf.data);
      return 0;
}
例2：进程间消息队列通信
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

struct msgbuf{
      int mtype;
      char mtext[100];
};

int main(void)
{
      key_t key;
      pid_t pid;
      int msgid;
      struct msgbuf msg;

      key=ftok(".", 0x01);
      if ( (msgid = msgget(key,  IPC_CREAT|0666)) <0 )
      {
            perror("msgget error");
            exit(1);
      }

      //创建一个进程
      if ( (pid = fork()) < 0 )
      {
            perror("fork error");
            exit(1);
      }
      //子进程收信息
      else if (pid==0)
      {
            while(1)
            {
                  memset(msg.mtext, 0, 100);
                  msgrcv(msgid, &msg, 100, 2, 0);  //receive the msg from 2
                  printf("\receive:%s\n:", msg.mtext);
                  fflush(stdout);
            }
            exit(0);
      }
      //父进程发信息
      else
      {
            while(1)
            {
                  memset(msg.mtext, 0, 100);
                  printf("father:");
                  fgets(msg.mtext, 100, stdin);
                  if (strncmp("bye", msg.mtext, 3)==0)//如果前3个字符为bye,则退出
                  {
                        kill(pid, SIGSTOP);
                        exit(1);
                  }
                  msg.mtype=1;//send to 1
                  msg.mtext[strlen(msg.mtext)-1]='\0';
                  msgsnd(msgid, &msg, strlen(msg.mtext)+1, 0);
            }
      }

      return 0;
}

   这个程序的缺点为：有发无收，有收无发。可在这2个进程中分别创建2个线程，分别负责收和发，就完成了进程间的通信。